Ejercicio resuelto de Sistema periódico · Química · 2025

Ejercicio 3. (2 puntos)

El cloro se presenta en la naturaleza en forma de dos isótopos, ${}^{35}_{17}\text{Cl}$ y ${}^{37}_{17}\text{Cl}$, con unas abundancias relativas del 75,8 % y 24,2 %, respectivamente.

a) Deduzca el número de protones, neutrones y electrones que contiene un átomo de cada isótopo. (0,5 puntos)

b) Calcule el número de átomos de cada isótopo presentes en una muestra de 10 litros de $\text{Cl}_2(g)$, a 25 °C y 1 atm. (0,5 puntos)

Conteste a una de las siguientes cuestiones:

c1) Aplicando la regla del octeto, deduzca la fórmula empírica del compuesto formado por los elementos Cl y O. Razone si se trata de una especie química soluble en agua. (1 punto)

c2) Considere las moléculas $\text{SiCl}_4$ y $\text{SCl}_2$. Escriba su estructura electrónica de Lewis, deduzca su geometría molecular y discuta su polaridad. (1 punto)

$\textbf{a) Deduzca el número de protones, neutrones y electrones que contiene un átomo de cada isótopo. (0{,}5 puntos)}$

Los isótopos de un mismo elemento comparten el número atómico, que es el de protones; lo que cambia es el número másico, y por tanto los neutrones. Al tratarse de átomos neutros, los electrones igualan a los protones.

Para los dos, $Z = 17$: 17 protones y 17 electrones.

Los neutrones salen de $A - Z$:

$^{35}\mathrm{Cl}: \quad 35 - 17 = 18 \text{ neutrones}$

$^{37}\mathrm{Cl}: \quad 37 - 17 = 20 \text{ neutrones}$

La única diferencia entre ambos isótopos son esos dos neutrones.

$\textbf{b) Calcule el número de átomos de cada isótopo presentes en una muestra de 10 litros de Cl}_2\textbf{(g), a 25 }^\circ\textbf{C y 1 atm. (0{,}5 puntos)}$

Primero, los moles de gas con la ecuación de los gases ideales, pasando la temperatura a kelvin:

$n = \frac{P\,V}{R\,T} = \frac{1 \cdot 10}{0{,}082 \cdot 298} = \frac{10}{24{,}44} = 0{,}409 \text{ mol de } \mathrm{Cl_2}$

Ojo al detalle: cada molécula de $\mathrm{Cl_2}$ tiene $\textbf{dos}$ átomos de cloro, así que hay que multiplicar por 2 antes de pasar a átomos con el número de Avogadro:

$N(\mathrm{Cl}) = 2 \cdot 0{,}409 \cdot 6{,}022 \cdot 10^{23} = 4{,}93 \cdot 10^{23} \text{ átomos}$

Ese total se reparte según las abundancias del enunciado:

$N(^{35}\mathrm{Cl}) = 0{,}758 \cdot 4{,}93 \cdot 10^{23} = 3{,}74 \cdot 10^{23} \text{ átomos}$

$N(^{37}\mathrm{Cl}) = 0{,}242 \cdot 4{,}93 \cdot 10^{23} = 1{,}19 \cdot 10^{23} \text{ átomos}$

$\textbf{c1) Deduzca la fórmula empírica del compuesto formado por los elementos Cl y O. Razone si se trata de una especie química soluble en agua. (1 punto)}$

Por la regla del octeto: el oxígeno tiene 6 electrones de valencia y necesita 2 más, así que forma 2 enlaces; el cloro tiene 7 y necesita 1, así que forma un solo enlace. Para que el oxígeno complete su octeto hacen falta dos átomos de cloro:

$\mathrm{Cl_2O}$

La estructura es $\mathrm{Cl-O-Cl}$, el monóxido de dicloro.

Sobre la solubilidad: el oxígeno central queda con dos pares enlazantes y dos pares no enlazantes, así que la molécula es angular, igual que el agua. Al ser angular, los momentos dipolares de los dos enlaces no se anulan y la molécula es polar, lo que ya favorece su disolución en un disolvente polar como el agua.

Además hay una razón más fuerte: el $\mathrm{Cl_2O}$ es el anhídrido del ácido hipocloroso, es decir, no solo se disuelve sino que reacciona con el agua:

$\mathrm{Cl_2O} + \mathrm{H_2O} \rightarrow 2\,\mathrm{HClO}$

Por tanto, sí es soluble en agua.

$\textbf{c2) Considere las moléculas SiCl}_4\textbf{ y SCl}_2\textbf{. Escriba su estructura electrónica de Lewis, deduzca su geometría molecular y discuta su polaridad. (1 punto)}$

$\mathrm{SiCl_4}$: el silicio tiene 4 electrones de valencia y los emplea todos en formar cuatro enlaces simples con los cloros, sin que le quede ningún par libre. Cada cloro conserva tres pares no enlazantes.

Con cuatro pares enlazantes y ningún par libre, la geometría electrónica y la molecular coinciden: es tetraédrica, con ángulos de 109,5°.

En cuanto a la polaridad, cada enlace Si–Cl sí es polar, porque el cloro es más electronegativo. Pero la disposición tetraédrica es perfectamente simétrica, de modo que los cuatro momentos dipolares se cancelan entre sí. La molécula de $\mathrm{SiCl_4}$ es apolar.

$\mathrm{SCl_2}$: el azufre tiene 6 electrones de valencia; emplea dos en los enlaces con los cloros y le quedan dos pares no enlazantes.

Ahora hay cuatro pares alrededor del azufre, pero solo dos son enlazantes: la geometría electrónica sigue siendo tetraédrica, mientras que la geometría $\textbf{molecular}$, que solo atiende a la posición de los átomos, es angular. El ángulo Cl–S–Cl es algo menor de 109,5°, porque los pares libres ocupan más espacio y comprimen el enlace.

Aquí los dos momentos dipolares no están enfrentados, así que su suma vectorial no se anula: la molécula de $\mathrm{SCl_2}$ es polar.

La comparación entre ambas es el punto del ejercicio: los dos tienen enlaces polares, pero solo la simetría del $\mathrm{SiCl_4}$ hace que la molécula entera sea apolar.